一种可调预紧力的形状记忆合金往复致动器

本发明属于致动器领域，涉及一种可调预紧力的形状记忆合金往复致动器。

背景技术：

1、往复致动器在各个领域的应用非常广泛，涵盖位移控制、微机械系统、医疗器械等领域。传统机械往复致动器多采用电机结构，存在结构复杂、行程调整难度高、功率损耗大等问题。

2、形状记忆合金由于其独特的特性，在合金升温加热后可以消除其在低温下的变形，恢复其变形前的形状。形状记忆合金的工作原理：在低于相变温度时，改变其形状，当对形状记忆合金升温达到相变温度时，形状记忆合金就会恢复其原来的形状。

3、现有技术大都是通过在低于形状记忆合金丝相变温度的条件下，对形状记忆合金丝进行预拉伸，再对形状记忆合金丝加热恢复原来形状的特性以设计形状记忆合金往复致动器。相对于传统的电磁、液压等致动器，形状记忆合金往复致动器的结构较为简单，通常由一个或几个形状记忆合金元件组成，这使得它们在体积和重量上更加轻便，适用于空间有限的应用场景；此外形状记忆合金能够提供较高的功率密度，在相对较小的空间内可以提供较大的力量和快速位移的输出，从而使得更紧凑、更轻量化的机械致动器变为现实。

4、然而，形状记忆合金往复致动器的行程在使用过程中会出现衰减的问题，进而影响整个致动器往复致动性能，因此需要调整形状记忆合金往复致动器的预紧力，现有技术中的形状记忆合金往复致动器的预紧力难以调整。例如，专利cn108252883a公开了一种基于形状记忆合金丝的柔性旋转驱动器，涡卷弹簧使形状记忆合金丝预拉伸，通过改变形状记忆合金的温度，使得形状记忆合金产生变形，从而记忆合金对涡卷弹簧产生拉力，使涡卷弹簧发生形变而产生相对旋转，进而产生旋转运动，该技术仅考虑了致动的过程，没有考虑到在致动器使用过程中出现的丝材疲劳造成的丝材拉长现象，无法调节预紧力。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决现有技术中存在的问题，提供一种可调预紧力的形状记忆合金往复致动器，本发明设计了一种结构简单，性能可靠的往复致动器，可以解决在传统机械往复致动器中结构复杂、行程调整难度高、功率损耗大、高频率使用下普遍存在的机械疲劳现象导致位移行程达不到预期等问题；本发明的致动器采用形状记忆合金作为驱动材料，形状记忆合金对温度非常敏感，当温度超过合金相变点时，形状记忆合金发生马氏体逆相变并伴随着形状的改变，对于丝材而言，可逆相变常伴随着升温时长度的收缩与降温时长度的伸长。

2、为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一种可调预紧力的形状记忆合金往复致动器，包括壳体、位移台、位移台限位凸起、弹簧、可调预紧装置、形状记忆合金丝和限位机构；

4、壳体包括上底板、下底板和筒体，上底板和下底板均水平布置；

5、位移台包括板部，板部水平布置且位于壳体内；

6、位移台限位凸起设置在筒体的内壁上，同时位于板部的下方，位移台限位凸起的数量及其在腔内高度可根据实际应用需求作出适当调整；

7、弹簧竖直布置且位于壳体内，上端与板部接触，下端与下底板接触；

8、可调预紧装置包括相互连接的头部和杆部，头部位于壳体外，杆部竖直布置且穿过下底板穿入壳体内，杆部穿入壳体内的长度可调，调节杆部穿入壳体内的长度可控制形状记忆合金丝的预紧力；

9、形状记忆合金丝竖直布置且位于壳体内，上端与位移台固定连接，下端与杆部固定连接；

10、限位机构用于限制弹簧水平滑移；

11、各部件的配合关系满足：当形状记忆合金丝的温度不大于其奥氏体转变温度时，板部与上底板贴合；当形状记忆合金丝的温度大于其奥氏体转变温度时，形状记忆合金丝收缩，带动板部向下运动，直至与位移台限位凸起接触；

12、本发明的致动器可通过主动施加电流或受所处环境温度被动变化等方式驱动，从而实现循环往复的自恢复位移运动。

13、本发明主要通过可调预紧装置调节形状记忆合金丝的预紧力，形状记忆合金丝的上端与位移台固定连接，下端与杆部固定连接；在致动器未升温工作的条件下，板部受弹簧的作用力起主导作用，此时板部紧贴上底板，在忽略位移台的重量的前提下，此时有几个极限状态：

14、一是当形状记忆合金丝初始完全松弛，即预紧力为0，此时弹簧对板部向上的弹力等于上底板对板部向下的反作用力；

15、二是缩短杆部穿入壳体内的长度，此时形状记忆合金丝开始绷紧，即预紧力不为0，此时弹簧对板部向上的弹力＝形状记忆合金丝对板部向下的拉力+上底板对板部向下的反作用力；

16、三是进一步缩短杆部穿入壳体内的长度，使板部与上底板要脱离接触但还在接触的临界状态，此时弹簧对板部向上的弹力刚好等于形状记忆合金丝对板部向下的拉力，而上底板对板部向下的反作用力为0。

17、以上一、二、三几种情况下，板部与上底板都是接触的，即弹簧的长度是不变的，则根据弹簧弹力公式f＝kx可知，弹簧对板部向上的弹力也是不变的，变化的是形状记忆合金丝对板部向下的拉力与上底板对板部向下的反作用力。形状记忆合金丝的上述张力变化范围即是本发明所说的预紧力的调节范围。

18、理论上，预紧力越大，形状记忆合金丝提供的行程越大，致动器的疲劳寿命越短。另外，在长期使用过程中，形状记忆合金丝逐渐训练出双程形状记忆效应以及形状记忆合金丝本身的疲劳，导致形状记忆合金丝松弛，形状记忆合金丝提供的行程(致动距离)会下降。因此，为克服行程衰减问题，需要对形状记忆合金丝进行重新预紧操作，以保证致动器的行程稳定。

19、当驱动器开始通电运行时，形状记忆合金丝的长度会收缩，带动板部完全脱离上底板的接触向下运动，此时，形状记忆合金对板部向下的拉力大于弹簧对板部向上的弹力，而弹簧在这一过程中的长度是减小的，则弹力f＝kx，形状记忆合金带动板部向下运动的距离越大，弹簧提供的反向弹力也越大。由于致动器结构的封闭性以及形状记忆合金丝长度会受到疲劳现象的影响，随着使用时间的增加形状记忆合金丝也会疲劳变长，所以通过调节杆部穿入壳体内的长度，使形状记忆合金丝可以保持拉紧状态，使致动器往复驱动效率最大化，如果形状记忆合金丝不被拉紧，致动器升温工作时形状记忆合金丝收缩的有效行程会相应缩短，从而导致板部位移行程也缩短。

20、板部置于上底板和弹簧之间；初始状态时，形状记忆合金丝的温度不大于其奥氏体转变温度，板部受到弹簧的弹力、形状记忆合金丝的拉力、上底板的反作用力，此时形状记忆合金丝的拉力小于弹簧的弹力，板部被限位紧贴上底板；工作状态时，当形状记忆合金丝的温度大于其奥氏体转变温度，形状记忆合金丝收缩，形状记忆合金丝对板部向下的拉力大于弹簧对板部向上的弹力，导致板部向下运动，直至与位移台限位凸起接触；当形状记忆合金丝的温度降低至不大于其奥氏体转变温度时，形状记忆合金丝会在弹簧的作用力下回到初始状态；由此使得板部可以实现循环往复运动。

21、形状记忆合金丝升温收缩产生对板部向下的拉力和位移行程都与丝材的选择有关，在实际应用中需要选择合适长度和粗细的形状记忆合金丝以匹配需求，形状记忆合金丝的选择需要考虑：

22、选择合适粗细的形状记忆合金丝，以提供足够的拉力；

23、选择合适长度的形状记忆合金丝，以提供足够的位移行程；

24、弹簧的选择需要考虑：

25、致动器未工作时，弹簧对板部向上的弹力较大，使得板部紧贴上底板；

26、致动器工作时，形状记忆合金丝对板部向下的拉力大于弹簧对板部向上的弹力，此时板部受形状记忆合金丝拉力影响而向下运动；

27、致动器的恢复运动主要依靠弹簧的作用力，所以需要保证弹簧可以提供较好的耐久性和足够的弹力使板部在致动器未工作状态时紧贴上底板，所以弹簧的选择还需要考虑：

28、弹簧放入壳体前未被压缩的长度；

29、弹簧的丝径；

30、板部与上底板接触时，弹簧向上的弹力>形状记忆合金丝的去孪生应力。

31、作为优选的技术方案：

32、如上所述的一种可调预紧力的形状记忆合金往复致动器，位移台还包括竖直布置的针部，针部位于板部的上方且与其固定连接；上底板的正中间设有1个位移通孔；针部穿过位移通孔，二者之间涂有低粘度的润滑油，位移通孔可以限制针部的位移路径；针部和板部的总高度大于上底板与位移台限位凸起的间距，如此可使得致动器工作时，针部不被拉出位移通孔，进而使得针部位移路径被限定；板部与筒体不接触，避免由于二者之间产生摩擦力影响板部运动。

33、如上所述的一种可调预紧力的形状记忆合金往复致动器，弹簧为圆柱螺旋弹簧。

34、如上所述的一种可调预紧力的形状记忆合金往复致动器，壳体为圆柱壳体，壳体的形状不必须是圆柱形，同样也可以为方形或其他符合实际应用所需的形状，由于本发明中应用的弹簧优选是圆柱螺旋弹簧，故从空间利用率和节约材料的角度上，将壳体优选为圆柱壳体。

35、如上所述的一种可调预紧力的形状记忆合金往复致动器，弹簧与形状记忆合金丝共轴，如此设置的目的是使弹簧的弹力和形状记忆合金丝的拉力在同一直线上，如果两个力不共轴，会导致致动效率降低，行程可能达不到实际应用需求。

36、如上所述的一种可调预紧力的形状记忆合金往复致动器，限位机构位于壳体内，由水平布置的弹簧限位凸起b和水平布置的弹簧限位凸起a组成；

37、弹簧限位凸起b位于板部的下方且与其固定连接；弹簧限位凸起a位于下底板的上方且与其固定连接；

38、弹簧同时套在弹簧限位凸起b和弹簧限位凸起a上，弹簧限位凸起b和弹簧限位凸起a为圆板，直径均等于弹簧的内径，如此设置的目的是避免弹簧水平滑移，弹簧的两端也可以通过焊接或胶水固定等方式固定在壳体内，但这些方法会使致动器的零件更换和维修存在一定困难，所以优选通过弹簧限位凸起a和弹簧限位凸起b固定弹簧，且弹簧限位凸起a和弹簧限位凸起b的高度不做固定要求，能够稳定限位弹簧即可。

39、如上所述的一种可调预紧力的形状记忆合金往复致动器，板部为圆板；壳体、板部、弹簧限位凸起b、弹簧限位凸起a四者共轴。

40、如上所述的一种可调预紧力的形状记忆合金往复致动器，可调预紧装置还包括位移调节螺母，位移调节螺母水平布置且固定在弹簧限位凸起a内；杆部为螺纹杆，位移调节螺母套在其上且与其螺纹连接；通过旋转头部，调节形状记忆合金丝的预紧力，所述头部可由内六方扳手或梅花扳手提供旋转力。

41、如上所述的一种可调预紧力的形状记忆合金往复致动器，位移台还包括固定结构，固定结构为块体，且块体中部有一与螺钉的螺杆相匹配的贯穿圆孔，固定结构位于弹簧限位凸起b的下方且与其固定连接；

42、壳体内设有一个固定螺栓，固定螺栓包括螺钉、压紧螺母、垫片；

43、螺钉水平布置，螺钉的螺杆依次穿过垫片、固定结构、压紧螺母，螺钉的螺杆与压紧螺母螺纹连接；螺钉的螺杆上设有固定孔，形状记忆合金丝穿过固定孔，被紧密固定于螺钉的螺母和垫片之间。

44、如上所述的一种可调预紧力的形状记忆合金往复致动器，形状记忆合金丝与固定螺栓和杆部的连接点均进行绝缘处理。

45、如上所述的一种可调预紧力的形状记忆合金往复致动器，筒体和下底板固定连接，筒体和上底板螺纹连接。

46、有益效果：

47、本发明结合弹簧和形状记忆合金丝的作用力实现了致动器循环往复的位移运动。

48、本发明通过上底板和位移台限位凸起的限位作用，有效克服了位移台的针部边缘滑脱壳体边缘的情况。

49、本发明的弹簧限位凸起，有效地预防了弹簧的横向滑动，限制了弹簧作用力的方向。

50、本发明通过可调预紧力的结构，可以准确地调节形状记忆合金丝的预紧力，从而控制致动器的位移行程，有效克服了形状记忆合金往复致动器的行程在使用过程中出现衰减的问题。

51、本发明通过弹簧和形状记忆合金丝合力的变化，使位移台在壳体内进行移动，实现结构上的自循环往复位移运动，在机械连接件、机械加工过程、阀门、传感反馈装置等方面具有较强的实用性。

52、本发明的可调预紧力的形状记忆合金的往复致动器在微机械、传感反馈等领域具有广泛的应用前景，该致动器可以在短时间内实现位移的变化和恢复；预紧力的调节与形状记忆合金丝的收缩行程紧密相关，通过调整致动器上的可调预紧装置，驱动行程可以根据实际应用需求进行动态调整，合适的预紧力也能够增加形状记忆合金丝的位移行程，另外通过调整形状记忆合金丝的预紧力，从而有效克服了形状记忆合金往复致动器的行程在使用过程中出现衰减的问题，进而提升整个致动器往复致动性能。